Los agujeros negros más antiguos se crearon a partir de colapsos de gas

Algunos cuásares supermasivos se formaron dentro de los primeros mil millones de años después del Big Bang. Ahora, los científicos saben por qué.

 

Centelleando como faros cósmicos en una costa a 13 mil millones de años luz de la Tierra, los cuásares son algunas de las reliquias más antiguas y brillantes del universo primitivo que los astrónomos pueden detectar hoy.

Abreviatura de "fuentes de radio cuasi-estelares", los cuásares son gigantescos agujeros negros que brillan tan intensamente como las galaxias y son de millones a miles de millones de veces más grandes que el sol de la Tierra . Hoy en día, los cuásares existen en los centros de muchas galaxias grandes.

Gracias a su luminosidad excepcional, los cuásares se han rastreado a lo largo del espacio-tiempo, y se ha identificado que aproximadamente 200 de ellos se formaron en los primeros mil millones de años de la historia de nuestro universo.

“Encontramos agujeros negros supermasivos en los centros de la mayoría de las galaxias masivas de hoy, que pueden tener millones o miles de millones de veces la masa del sol. Pero en 2003 comenzamos a encontrar cuásares (agujeros negros supermasivos altamente luminosos que se acumulan activamente y que son como faros cósmicos en el universo primitivo) que existieron menos de mil millones de años después del Big Bang. Y nadie entendió cómo se formaron en tiempos tan tempranos”. explica el Dr. Whalen, del Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.

¿Cómo pudieron formarse objetos tan masivos tan pronto, cuando las galaxias eran escasas y las estrellas grandes eran excepcionalmente raras? La pregunta ha intrigado a los investigadores durante más de dos décadas, desde que se identificaron los primeros cuásares, y ahora, un nuevo estudio publicado el 6 de julio en la revista Nature, puede proporcionar la tan ansiada respuesta.

Usando una simulación por computadora, los investigadores modelaron la formación de estrellas en el universo primitivo, centrándose en una de las raras coyunturas donde se encontraron dos corrientes de gas frío y turbulento. Mientras que las corrientes de gas de formación estelar atraviesan el universo como las interestatales cósmicas de hoy, las "nubes" naturales o depósitos donde dos corrientes se encontraban eran extremadamente raras en los primeros mil millones de años después del Big Bang , lo que las convertía en áreas de estudio tentadoras pero esquivas.

En la simulación, dos grandes "grupos" de gas formador de estrellas se acumularon en el centro de estas corrientes a lo largo de millones de años. Pero, para sorpresa del equipo, estos grupos nunca se fusionaron en estrellas de tamaño normal como predijeron los modelos anteriores del universo primitivo.

"Las corrientes frías provocaron turbulencias en la nube de gas que impidieron que se formaran estrellas normales hasta que la nube se volvió tan masiva que colapsó catastróficamente por su propio peso, formando dos gigantescas estrellas primordiales", dijo Whalen, "Una estrella tenía 30.000 masas solares y otra tenía 40.000".

Estudios anteriores estimaron que un cuásar debe medir entre 10 000 y 100 000 masas solares en su nacimiento. Si ese es el caso, las dos gigantescas estrellas primordiales de la nueva simulación podrían ser "semillas" viables para los primeros cuásares del universo, escribieron los autores del estudio.

De hecho, es factible que ambas grandes estrellas se hayan colapsado en agujeros negros casi instantáneamente y luego continuaron engullendo gas a medida que crecían hasta convertirse en cuásares supermasivos como los que los científicos han detectado en el universo primitivo.

A medida que los monstruosos agujeros negros continúan creciendo, incluso podrían fusionarse, liberando un torrente de ondas de espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales, escribieron los investigadores. Es posible que los científicos puedan incluso detectar estas ondas utilizando observatorios especiales en las próximas décadas, lo que podría confirmar los resultados de la simulación.

Si se confirma, esta investigación anularía décadas de pensamiento sobre la formación de estrellas en el universo primitivo. Estudios anteriores sugirieron que las grandes estrellas primordiales podrían formarse sólo en entornos extremos donde las fuerzas externas, como la fuerte radiación ultravioleta, podrían evitar la formación de estrellas más pequeñas.

Esta nueva simulación muestra, sin embargo, que entornos tan exóticos pueden no ser necesarios. Las semillas de los cuásares podrían surgir de forma natural donde se encuentran raras corrientes de gas frío.

“En consecuencia, las únicas nubes primordiales que podrían formar un cuásar justo después del amanecer cósmico, cuando se formaron las primeras estrellas del universo, también crearon convenientemente sus propias semillas masivas. Este resultado simple y hermoso no solo explica el origen de los primeros cuásares, sino también su demografía: su número en los primeros tiempos” señala Whalen. 

"Los primeros agujeros negros supermasivos fueron simplemente una consecuencia natural de la formación de estructuras en el universo primitivo: hijos de la red cósmica", concluye el científico.

Referencia:

D. J. Whalen. et al. Turbulent cold flows gave birth to the first quasars. Natura. 2022. doi.org/10.1038/s41586-022-04813-y

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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